[发明专利]一种具有嵌块结构的白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料，尤其涉及一种白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料。

背景技术

以麻纤维为代表的天然植物纤维具有来源广、价格低、密度小、可再生、可降解等优点。其价格约为玻璃纤维的1/3，密度约为玻璃纤维的1/2。常见的麻纤维种类有剑麻、洋麻、亚麻、黄麻、苎麻、红麻等，用此类纤维替代玻璃纤维制成聚合物基复合材料运用到新能源汽车等领域，不仅可以实现汽车的轻量化，还具有成型简单、容易回收、绿色环保等特点。

麻纤维等植物纤维中往往含有果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质，不利于获得性能优良的纤维增强复合材料，需要通过物理或化学方法对植物纤维进行预处理。采用氢氧化钠水溶液对植物纤维进行润胀处理(即碱处理法)是发现最早、应用最广的预处理手段之一。通过碱处理，可去除纤维素中的杂质，使纤维形态结构和微细结构发生很大变化，有利于增大纤维与基体界面结合力

气相白炭黑也称为气相二氧化硅或纳米白炭黑，是一种重要的超细无机填料，粒子呈现半透明的白色絮状(粒径小于100nm)，无毒，有巨大的比表面积。在橡胶或塑料中添加少量气相白炭黑后，材料的强度、耐磨性和抗老化性等性能均有一定提高。

一般纤维状填料(如短玻纤、碳纤等)与无机粉状填料(如碳酸钙、滑石粉等)并用，可促使材料的性能更加平衡。而如果将麻纤维与气相白炭黑等超细无机填料作为两种填料直接加入热塑性聚合物，所制备的复合材料往往性能不佳。原因在于：⑴麻纤维在聚合物基体中很容易结成团块，分散性远不如短玻纤和碳纤；⑵未经表面处理的气相白炭黑粒子为纳米级絮状粒子，同样容易发生“团聚”现象，严重影响复合材料的力学性能。⑶现有技术中改善填料“团聚”现象的方法通常是利用偶联剂对麻纤维及纳米无机填料进行表面处理，虽有一定效果，但不能从根本上解决问题。⑷麻纤维、纳米无机填料由于表面特性不同，需要分别用不同种类的偶联剂表面处理后再与热塑性聚合物基体混合，工艺过程繁琐。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种处理工序相对简单、复合效果突出的白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种具有嵌块结构的白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料,包括如下重量份数比的原料：低密度聚乙烯(LDPE)100、麻纤维10、气相白炭黑5-20、助包覆剂0.5-2.0。上述原料通过以下方法步骤制备获得本复合材料：

(1)将麻纤维用浓度2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h后洗净干燥备用；称取助包覆剂，将助包覆剂配成浓度10％-12％的水溶液。

(2)麻纤维用上述水溶液充分浸润后与气相白炭黑在小型高速混合机中搅拌混合，然后将混合物烘干备用。

(3)将用白炭黑包覆好的麻纤维与低密度聚乙烯在双辊开炼机中混炼成复合材料片材，双辊的前、后辊设定温度分别为120℃、110℃。

(4)、将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为140℃。

制备获得的复合材料具有特殊的“嵌块”结构，即被白炭黑包覆后的麻纤维形成约50-100μm的纤维束“嵌块”分散于热塑性聚合物基体中。

作为本发明的一种优选方案，所述助包覆剂采用聚乙烯醇(PVA)树脂、水溶性酚醛树脂、水溶性丙烯酸酯树脂或水溶性聚氨酯。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、工艺过程简单：本发明利用助包覆剂将气相白炭黑直接包覆于麻纤维表面，而无需对白炭黑和麻纤维各自进行偶联剂处理后再分别加入热塑性聚合物基体，大大简化了工艺过程。

2、复合效果突出：如图1和图2所示，本发明制备的白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料具有特殊的“嵌块”结构，即被白炭黑包覆后的麻纤维形成约50-100μm的纤维束“嵌块”分散于热塑性聚合物基体中。其在扫描电子显微镜下观察如图1所示，示意性的结构如图2所示，图中嵌块1分散于热塑性聚合物基体2中，嵌块1中的麻纤维3被絮状气相白炭黑4包覆，这种特殊结构不同于现有技术中添加麻纤维、白炭黑各自形成的团聚体，不仅未使复合材料性能劣化，反而使复合材料性能的冲击强度显著提高，其冲击强度明显优于将麻纤维、气相白炭黑作为两种填料独立加入热塑性聚合物制备的复合材料(表1)。

附图说明

图1是白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料中的“嵌块”结构(其中试样经液氮脆断后断面喷金，在扫描电子显微镜下观察)

图2具有“嵌块”结构的白炭黑/麻纤维/聚合物复合材料结构示意图。